隨著線路傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了10Ｇbps的鏈路接口類型，如10Gbps的POS、WAN、LAN等。863重大課題“可擴(kuò)展到T比特的IPv4/v6路由器基礎(chǔ)平臺及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”要求T比特路由器支持10Ｇ的線卡。
　　傳統(tǒng)的單端互連方式在傳輸速率上(最高250Mbps)已無法滿足要求。而差分" title="差分">差分串行方式(如LVDS、LVPECL等)，雖然采用源同步時鐘，但數(shù)據(jù)和時鐘分別發(fā)送，受信號瞬時抖動的影響，破壞了數(shù)據(jù)與時鐘的定時關(guān)系，傳輸速率也存在一定的瓶頸。XILINX的Virtex-ⅡPRO 系列提供了內(nèi)嵌RocketIO模塊，通過采用CDR、8B/10B編碼，預(yù)加重等可在線配置技術(shù)，減少了信號衰減和線路噪聲的影響，所提供的全雙工高速通道最高支持3.125Gbps。
　　但在高速環(huán)境下，RocketIO易出現(xiàn)時鐘漂移，同時，在進(jìn)行通道綁定時，也易出現(xiàn)通道間不同步的問題。針對時鐘不穩(wěn)的現(xiàn)象，筆者利用FPGA 的數(shù)字時鐘管理器(DCM)對RocketIO的時鐘進(jìn)行精心設(shè)計(jì); 對通道不同步問題，設(shè)計(jì)了一種稱為“彈性存儲器”的改進(jìn)方案。經(jīng)工程驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)方案有效地解決了以上兩個問題。
1 RocketIO的特性
　　如圖1，RocketIO(也稱MGT)由物理媒質(zhì)適配層(PMA)和物理編碼子層(PCS)兩部分組成。PCS主要包括發(fā)送FIFO、8B/10B編碼器、8B/10B解碼器、CRC生成與校驗(yàn)，通路綁定與時鐘修正的Elastic Buffer等。PMA包括串/并轉(zhuǎn)換器、差分接收器、發(fā)送時鐘生成電路、接收時鐘恢復(fù)電路等。

　　以轉(zhuǎn)發(fā)引擎選取的XC2VP70 FF1704系列為例，該芯片最多可提供40路高速收發(fā)器，每路可提供最高3.125Gbps的全雙工帶寬，可支持FibreChannel、Ethernet、Custom、XAUI、Infiniband等高速通信標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)有：(1)每個通道支持最高125Gbps的全雙工速率； (2)支持直流和交流耦合方式； (3)可編程差分終端電阻(50Ω、70Ω)；(4)輸出預(yù)加重處理。
2 時鐘及復(fù)位
　　考慮到RocketIO的設(shè)計(jì)傳輸帶寬是10Gbps，RocketIO的參考時鐘選用差分輸入時鐘，這樣可極大地降低時鐘抖動。同時，利用FPGA內(nèi)部的DCM(數(shù)字時鐘管理器)產(chǎn)生Rocket IO的主時鐘，根據(jù)MGT設(shè)計(jì)的四通道綁定，分別送給RXUSRCLK、RXUSRCLK2、TXUSRCLK和TXUSRCLK2。
　　同時，由于DCM的輸出時鐘在LOCKED指示信號無效之前處于非穩(wěn)態(tài)，不適合直接作后級邏輯的參考時鐘。所以，選擇LOCKED作RocketIO的復(fù)位信號TX_RESET和RX_RESET，保證了DCM的輸出時鐘在RocketIO復(fù)位之后才送給下一級邏輯。如再加一級緩沖，保證RocketIO足夠的復(fù)位時間，效果更好。
　　DCM和MGT控制信號的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

3 通道綁定
　　理論上，經(jīng)MGT內(nèi)部緩沖處理及時鐘修正，各個例化模塊應(yīng)嚴(yán)格同步輸出。但由于硬件高頻時鐘電路" title="時鐘電路">時鐘電路的不穩(wěn)定及時鐘漂移等不確定因素，在實(shí)際工程應(yīng)用" title="工程應(yīng)用">工程應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生格式錯位、通道之間不同步的現(xiàn)象，導(dǎo)致無法進(jìn)行通道綁定。
3.1 錯誤情況分析
　　圖3給出了高速通道的幾種錯誤情況。

　　K碼指示規(guī)則是：當(dāng)K碼依次為“10”、“00”、“01”時，對應(yīng)數(shù)據(jù)包的包頭(數(shù)據(jù)為“BC95”)、正常數(shù)據(jù)報文、包尾(數(shù)據(jù)為“3CFB”)； Ｋ碼為“11”時，表示通道空閑(數(shù)據(jù)為“95FB”)。
　　圖3(a)中，序列DATA1為正確的接收序列，DATA2、DATA3均為錯誤序列。
　　(1)DATA2：發(fā)生了前后兩字節(jié)錯位的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)格式不正確；
　　(2)DATA3：在時序上與DATA1不同步，但數(shù)據(jù)格式是正確的。
　　對于錯位接收的原因分析，也可以從圖3(b)看出。對串行輸入的數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換之前的正確接收采樣操作應(yīng)該是采樣時鐘(RxClock)一次性采集到數(shù)據(jù)“b1b2b3b4”。但實(shí)際上，由于采用時鐘的不穩(wěn)定及高頻環(huán)境的影響，一次采樣操作卻采集到了數(shù)據(jù)“b1c2b3c4”。
3.2 彈性存儲器方案
　　基于以上分析，在進(jìn)行通道綁定之前，筆者引入了一種彈性存儲器的方案(以四通道綁定為例)，按照先緩存、后控制輸出的思路，實(shí)現(xiàn)對高速通道的糾錯。彈性存儲器由異步FIFO(4個)、時鐘電路(寫FIFO 時鐘電路，讀FIFO時鐘電路)、內(nèi)部控制邏輯" title="控制邏輯">控制邏輯三部分組成，如圖4所示。

　　(1)寫FIFO 時鐘電路
　　異步FIFO的寫時鐘產(chǎn)生電路。與內(nèi)部控制邏輯模塊配合，控制異步FIFO的數(shù)據(jù)接收及K碼序列的緩存。
　　對于此時的輸入數(shù)據(jù)，不必考慮格式和數(shù)據(jù)的同步問題。
　　(2)讀FIFO 時鐘電路
　　4個異步FIFO及K碼FIFO的讀時鐘產(chǎn)生電路。與內(nèi)部控制邏輯模塊配合，控制4個異步FIFO及K碼序列的同步輸出。
　　(3)內(nèi)部控制邏輯
　　除了配合讀/寫時鐘電路來控制異步FIFO的讀寫，依據(jù)K碼序列對每個數(shù)據(jù)FIFO的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行整包檢測。
　　具體判斷依據(jù)是根據(jù)K碼“01”表示的包尾，判定FIFO接收到了一個整包。
　　4個FIFO都有一個完整包時，通過讀FIFO時鐘電路控制4個異步FIFO 的同步輸出，完成隨后的通道綁定。
　　可以看出，整個設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對同步輸出時刻的把握。實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于內(nèi)部控制邏輯的整包檢測操作上。由于4個FIFO的整包檢測獨(dú)立進(jìn)行，這需要在實(shí)際編程實(shí)現(xiàn)時精心設(shè)計(jì)時序及對容錯情況的考慮。
4 工程實(shí)現(xiàn)
　　圖5給出了在863課題“T比特路由器”中，基于XILINX的VIRTEXⅡPRO系列的XC2VP70芯片，采用彈性存儲器方案得到的MGT測試數(shù)據(jù)。

4.1軟件仿真
　　根據(jù)K碼序列指示，方案在時序上準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了4個通道的數(shù)據(jù)對齊輸出，無通道錯位或不同步現(xiàn)象。
4.2 工程應(yīng)用
　　(1)測試環(huán)境
　　利用光電轉(zhuǎn)換小板構(gòu)成環(huán)路，測試報文的處理流程為：CPU→FPGA→光模塊→光電轉(zhuǎn)換小板→GIGA→FPGA→CPU。如圖6所示。

　　(2)測試結(jié)果
　　圖7為Virtex ⅡPRO-XC2VP70上實(shí)現(xiàn)兩平面接收、四通道綁定的ChipScope采樣波形。
　　rxk0、rxk1表示兩個平面的Ｋ碼序列。由Ｋ碼與通道的對應(yīng)關(guān)系得知，Ｋ碼為“AA”(即二進(jìn)制“10101010”)，對應(yīng)數(shù)據(jù)包頭(BC95)；K碼為“FF”(即二進(jìn)制“11111111”)，對應(yīng)包尾(3CFB)。
　　由圖7知，彈性存儲器方案有效解決了MGT的數(shù)據(jù)同步問題。

　　RocketIO的難點(diǎn)在于它的鏈路層本質(zhì)及高速傳輸環(huán)境。其靈活的配置方式同時也增加了工程應(yīng)用上的難點(diǎn)。本文針對時鐘部分及通道綁定問題，提出了一種切實(shí)可行的解決方案，并得到了工程驗(yàn)證。